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硬盘基础知识--------------讲解人：张军

2006.10.12主要内容硬盘的发展史硬盘的结构硬盘的工作原理硬盘的工作模式硬盘的性能指标硬盘新技术硬盘数据结构硬盘分区方式数据存储原理硬盘概述硬盘是一个计算机系统的数据存储中心，我们运行计算机时使用的程序和数据目前绝大部分都存储在硬盘上。它是计算机中不可或缺的存储设备。步入2001年后，硬盘技术正在朝着容量更大、体积更小、速度更快、性能更可靠、价格更便宜的的方向不断发展

在1968年，IBM颠覆了之前自己的设计，提出了“温彻斯特”（Winchester）技术的可行性，这次的提出的技术则奠定了以后硬盘所发展的方向。“温彻斯特”技术的精隋在于提出了：“密封、固定并高速旋转的镀磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触”，这也同样是我们现在硬盘所走的道路。1973年，IBM公司制造出了第一台采用温彻斯特技术的硬盘，从此硬盘技术的发展有了正确的结构基础，现在使用的硬盘大多是此技术的延伸。1979年，IBM再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。同期IBM的两位员工AlanShugart和FinisConner离开IBM后成立了希捷公司(ShugartTechnology公司，也就是后来的Seagate希捷公司)，之后便推出了像5.25英寸大小的硬盘驱动器。80年代末期IBM又为电脑行业作了一项巨大的贡献，推出了名为MRHEAD（（MagnetoResistive)）的东西，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往每英寸20MB的容量提高了数十倍，他工作方式在于将读写两个磁头分开，读写磁头不再具电感特性，而是对磁场变化相当敏感的电阻特性磁头。注:MR(MAGNETO-RESITIVEHEAD)即磁阻磁头的简称

1999年著名的硬盘公司Maxtor，也就是迈拓推出了他的DiamondMax40产品，也就是钻石九代。单碟磁盘容量达到了10G这样前所未有的情况,也就是这样的情况促使了大容量硬盘的诞生。2000年2月23日，希捷制造出转速高达15，000RPM的CheetahX15系列硬盘，其平均寻道时间只有3.9ms，这可是当时世界上最快的硬盘了.在这个硬盘接口规范化道路的建设过程中，许多公司为之付出了许多努力，例如英特尔公司、希捷公司、迈拓公司、IBM公司，但有一家公司我们不能不提，那就是美国的“西部数据（WesternDigital）”公司，因为是WD制定了EIDE的接口标准，而在那之后制定的所有IDE接口（并行ATA）差不多都是在IDE/EIDE的基础上不断创新产生得。硬盘的外部结构编号组成部分名称说明1缓存硬盘缓存的主要作用是与硬盘内部交换数据，是实现硬盘数据“预处理”操作的芯片，我们通常说的硬盘内部传输速率其实就是指该缓存与硬盘内部之间的数据传输速率。2电源接口该接口由4针组成，主要用于硬盘与机箱电源相连接，并通过该接口为硬盘工作供电。3硬盘跳线当计算机中连接有两个及以上硬盘时，必须为它们设置主盘和从盘。硬盘跳线可以实现这种设置，具体设置方法因不同硬盘而不同，用户可以参考硬盘正面标签上的设置说明来进行主、从盘的设置。4硬盘数据线接口（IDE接口）通过该接口，利用专用数据排线可以把硬盘与主板连接起来，从而实现硬盘中数据的读写操作。5电容硬盘中存储了大量的数据，为保证数据读写操作的安全，需要高质量的电容来稳定电路。6控制芯片这是硬盘的主要控制芯片，负责数据的交换与处理，是硬盘的核心部件之一。浮动磁头组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加后电在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.1～0.3μm，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3μm，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。浮动磁头组件磁头驱动机构盘硬的寻道是靠移动磁头，而移动磁头则需要该机构驱动才能实现。磁头驱动机构由电磁线圈电机、磁头驱动小车、防震动装置构成，高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并能在很短的时间内精确定位系统指令指定的磁道。磁盘片磁盘片表面上以磁盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。不同磁盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。磁盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区。磁面（Side）：每个盘片都有上、下两个磁面，从上向下从“0”开始编号，0面、1面、2面、3面、……磁道（Track）：硬盘在格式化时盘片会被划成许多同心圆，这些同心圆轨迹就叫磁道。磁道从外向内从0开始顺次编号，0道、1道、2道、……柱面（Cylinder）：所有盘面上的同一编号的磁道构成一个圆柱，称之为柱面，每个柱面上从外向内以“0”开始编号，0柱面、1柱面、2柱面、……扇区（Sector）：硬盘的盘片在存储数据时又被逻辑划分为许多扇形的区域，每个区域叫作一个扇区。硬盘容量=柱面数×扇区数×每扇区字节数×磁头数内部结构总结编号组成部分名称说明1浮动磁头组件是硬盘中最精密的部件之一，由读磁头、传动手臂和传动轴三部分组成（如图5.3所示）。磁头是硬盘技术中最重要、最关键的一环，它类似于“笔尖”。硬盘磁头采用非接触式头、盘结构，它的磁头是悬在盘片上方的，加电后可在高速旋转的盘片表面移动，与盘片的间隙（飞高）只有0.08-0.3微米。硬盘磁头其实是集成工艺制造的多个磁头的组合，每张盘片的上、下方都各有一个磁头。磁头不能接触高速旋转的硬盘盘片，否则会破坏盘片表面的磁性介质而导致硬盘数据丢失和磁头损坏，因此硬盘工作时不要搬运主机。2磁头驱动机构硬盘磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，能对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短时间内精确定位于系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。3盘片盘片是硬盘存储数据的载体，一般采用金属薄膜磁盘，记录密度高。硬盘盘片通常由一张或多张盘片叠放组成。4盘片主轴驱动机构盘片主轴驱动机构由轴承和马达等组成。硬盘工作时，通过马达的转动将盘片上用户需要的数据所在的扇区转动到磁头下方供磁头读取。马达转速越快，用户存取数据的时间就越短，从这个意义上讲，马达的转速在很大程度上决定了硬盘最终的速度。我们常说的5400转、7200转就是指硬盘马达的转速。轴承是用来把多个盘片串起来固定的装置。5前置读写控制电子线路用来控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和定位等操作的。硬盘的工作模式硬盘的工作模式主要有三种，分别是：

1.NORMAL2.LBA3.LARGENORMAL模式NORMAL（普通模式）是最早的IDE方式，在硬盘访问时，BIOS和IDE控制器对参数不做任何转换。该模式支持的最大硬盘的容量为528MB。也就是说，在此模式下，硬盘的实际物理容量再大，也只能用到其中的528M。LBA模式LBA(LogicalBlockAddressing，逻辑块寻址模式)是一种克服528MB限制的新型硬盘存取方法。在LBA模式下，设置的柱面、磁头、扇区等参数并不是实际硬盘的物理参数。在访问硬盘时，由IDE控制器把由柱面、磁头、扇区等参数确定的逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。在LBA模式下，管理的硬盘空间可达8.4GB。不过现在新主板可以使LBA能支持100GB以上的硬盘。硬盘的性能指标硬盘也是计算机的重要部件，同样对计算机的整体性能起着决定性的作用。我们就介绍一下硬盘主要的性能指标。1.主轴转速硬盘的主轴转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，它在很大程度上决定了硬盘的速度，同时也是区别硬盘档次的重要标志。从目前的情况来看，7200RPM的硬盘在国内市场已经逐步取代了5400RPM硬盘的地位，成为了主流，而更高转速的硬盘，如SCSI硬盘的主轴转速已经达到10000RPM甚至15000RPM，但由于价格原因让普通用户难以接受。SCSI：SmallComputerSystemInterface（小型计算机系统接口）2.硬盘容量影响容量的两个因素是单碟容量和碟片数量。

因为标准硬盘的碟片数是有限的，靠增加碟片来扩充容量满足不断增长的存储容量的需求是不可行的。只有提高每张碟片的容量才能从根本上解决这个问题。单碟容量的一个重要意义在于提升硬盘的数据传输速度。硬盘单碟容量的提高得益于数据记录密度的提高，而记录密度同数据传输率是成正比的，单碟容量越高，它的数据传输率也将会越高。4.最大内部数据传输率它也叫持续数据传输率(SustainedTransferRate)，单位为Mb/s。它是磁头到硬盘的高速缓存之间的数据传输速度，这可以说是影响硬盘整体性能的关键。该传输率一般取决于硬盘的盘片转速和盘片数据线密度。目前硬盘作为电脑的瓶颈，其病根还在于硬盘的内部数据传输率上。注意，在这项指标中常常使用Mb/s或Mbps为单位，这是兆位/秒的意思，如果需要转换成MB/s(兆字节/秒)，就必须将Mbps数据除以8(一字节8位数)。5.外部数据传输率

外部数据传输率是指从硬盘缓冲区读取数据的速率。它与硬盘的接口类型是直接挂勾的，因此在广告或硬盘特性表中常以数据接口速率代替，单位为MB/S。它也称突发数据传输率，它是指从硬盘缓冲区读取数据的速率。目前IDE硬盘已经全部采用UltraDMA/66/100/133技术，外部数据传输率可达66MB/s,100MB/s,133MB/s。6.平均寻道时间平均寻道时间这个指标指磁头从得到指令到寻找到数据所在磁道的时间它是代表硬盘读取数据的能力，单位为毫秒。平均寻道时间越小越好，硬盘的运行速率相应也就越快。一般硬盘的平均寻道时间在7.5～14ms。

7.MTBF(连续无故障时间)MTBF指硬盘从开始运行到出现故障的最长时间一般硬盘的MTBF至少在30000或40000小时。注:MTBF(MeanTimeBetweenFailures)

硬盘新技术1.新型磁头技术2.S.M.A.R.T技术3.SPS防震技术4.RAID技术5.PRML读取通道技术6.湿盘（Wetdisk）技术1.新型磁头技术MR（Magneto一ResistiveHead，磁阻磁头）技术可以更高的实际记录密度、记录数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。GMR（GiantMagnetoResistive，巨型磁阻磁头）是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，从而可以实现更高的存储密度。2.S.M.A.R.T技术S.M.A.R.T(Self－Monitoring、Analysis＆ReportingTechnology）自我监测、分析和报告技术。它由硬盘的监测电路和主板上的监测软件对被监测对象的运行情况与历史记录及预设的安全值进行分析、比较，当出现安全值范围以外的情况时，会自动向用户发出警告，并自动降低硬盘的运行速度，把重要数据文件转存到其他安全扇区。

3.SPS防震技术SPS(ShockProtectionSystem，震动保护系统)是由昆腾公司开发，使硬盘在受到撞击时，保持磁头不受震动，磁头和磁头臂停泊在盘片上，冲击能量被硬盘其他部分吸收，这样能有效地提高硬盘的抗震性能，使硬盘在运输、使用及安装的过程中最大限度地免受震动的损坏。4.RAID技术RAID（RedundantArraysofInpensiveDisks)廉价冗余磁盘阵列。组成磁盘阵列的设备具有高速度、大容量、安全可靠的特点。RAID硬盘是由几组硬盘驱动器组成，并由一个控制器统一管理，逻辑上可以把它看作是一个磁盘驱动器。5.PRML读取通道技术PRML:PartialResponseMaximumLikelyhood，局部响应最大相似最初只用在通信方面,用以解决误码率问题,该技术引入硬盘中后可有效提高数据读取及传输效率,可使硬盘容量提高30%以上PRML技术应用于硬盘信号读取时，能避免因磁道过窄造成的信号干扰，大幅度地提高盘片的密度。同时由于磁盘密度的增大，磁头在相同时间内可以读取到更多的信号，使得读取速度得以提高。而通过最大相似原理的多点采样可以把磁头读取到的信号与标准信号进行对比，以得出最匹配的信号再传送出去，从而大大地提高了数据读取的准确性。PRML技术可使盘片存储更多的数据,因此既可提高单片硬盘的容量,又可加快数据传输率，使硬盘的容量、速度、可靠性都有了不同程度的提高。6.湿盘（Wetdisk）技术湿盘（Wetdisk）技术：该技术能最大限度地减少磁头与盘片的摩擦，数据密度得到进一步提高.当我们要把磁盘密度进一步增大，目前以金属薄膜盘片以及玻璃基片的“温盘技术”便无能为力了。我们知道，当磁盘密度达到一定程度时，信号便会变得更加微弱，并且相邻信号之间的干扰也更为严重。要解决只能把磁头进一步贴近盘片，但目前的磁头飞高已不到0.08微米，要进一步令磁头靠近盘片非常困难，因为这要克服磁头抖动及盘片细微凹凸等引起问题。为此，有人提出干脆把磁头紧贴磁盘（Contactrecording），就象录音机那样。但对盘片及磁头而言，这种接触是致命的，磁头与盘片会两败俱伤。于是，一种全新的盘片--“湿盘”（wetdisk）被提上的研发日程.硬盘接口方式及比较1、IDE接口：IDE本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器，也称之为电子集成驱动器。IDE接口的硬盘具有价格低廉、兼容性好、性价比高的优点。2、SATA接口：SATA接口即串行ATA接口（SerialATA），它一改以往IDE接口并行传输数据的方式，而采用连续串行的方式传送数据。

SATA接口相对于IDE接口起点更高，发展潜力更大。3、SCSI接口：SCSI接口即SmallComputerSystemInterface（小型计算机系统接口），它具有应用范围广、多任务、宽带宽、CPU占用率低以及支持热插拔等优点，但价格较高。4、IEEE1394接口：IEEE1394的前身称之为了FireWire（火线）规范，支持热插拔、驱动程序安装简易、数据传输速度快、具备通用I/0连接头、点对点的通讯架构等特点，同时IEEE1394接口也具有使用费用昂贵的致命缺点。5、USB接口：USB接口也叫通用串行总线接口，是目前应用最为普遍的设备接口，USB接口具有价格低廉、连接简单快捷、兼容性强、有很好的扩展性、支持即插即用、支持热插拔、支持高传输速率等诸多优点。6、光纤通道（FibreChannel）：光纤通道最长可达10公里，理论带宽可达1.06Gbps，实际带宽可达100Mbps，但价格非常昂贵，并且组建复杂。IDE接口方式比较接口标准最大传输速率说明ATA-18.3MB/s是第一代IDE接口标准，支持PIO-0、PIO-1、PIO-2传输模式，最大支持504MB以内的硬盘，硬盘尺寸为5.25英寸，使用40芯连线。ATA-2(EIDE或FastATA)16.6MB/s1994年开发，主要解决了ATA-1标准与BIOS的容量限制，支持容量达到8.4GB的硬盘。相对于ATA-1来说，它又增加了两种PIO模式和两种DMA模式，对应主板上的接口也变为两个IDE口，可分别连接一个主盘和一个从盘共四个IDE设备。ATA-316.6MB/s没有在ATA-2的基础提高传输速率，但引入了密码保护机制，对电源管理方案进行了修改，引入了S.M.A.R.T（硬盘自我监测、自我分析和报告）技术，是一个划时代的重大改进。ATA-4(UltraATA33)33.3MB/s该标准是1996年由Intel、昆腾公司合作开发的，从ATA-4开始，硬盘开始支持DMA（直接内存存取）技术。微软的Windows98系统正式支持这一接口技术。ATA-5(UltraATA66)66.6MB/s该标准是1998年由昆腾公司率先推出的，将普通的40芯排线改为了80芯排线，并继承UltraATA33标准的核心技术—冗余校验技术CRC，保证了高速传输数据的安全性。因Windows98不支持这种技术，故在Windows98下使用时，除用DMA66专用数据线连接硬盘与主板外，还要正确安装主板驱动程序，这样才能识别UltraATA66硬盘。ATA-6(UltraATA100)100MB/s2000年6月推出的一种接口标准，传输速率从上一代的66MB/s提高到了100MB/s，是目前主流的接口标准。ATA-7(UltraATA133)133MB/s是ATA系列中最新的版本，2001年7月由迈拓公司推出，但除了迈拓公司外，它并没有得到其他广大厂商的支持，因为一种新型的接口类型：串行方式接口硬盘出现了。硬盘数据结构硬盘数据结构分成五部分:1.主引导扇区2.操作系统引导扇区3.FAT4.DIR5.Data主引导扇区主引导扇区位于整个硬盘的0磁頭0柱面1扇区，包括硬盘主引导记录MBR（MainBootRecord）和分区表DPT（DiskPartitionTable）。其中主引导记录的作用就是检查分区表是否正确以及确定哪个分区为引导分区，并在程序结束时把该分区的启动程序（也就是操作系统引导扇区）调入内存加以执行。至于分区表，很多人都知道，以80H或00H为开始标志，以55AAH为结束标志，共64字节，位于本扇区的最末端。值得一提的是，MBR是由分区程序（例如DOS的Fdisk.exe）产生的，不同的操作系统可能这个扇区是不尽相同。操作系统引导扇区

OBR（OSBootRecord）即操作系统引导扇区，通常位于硬盘的0磁頭1柱面1扇区（这是对于DOS来说的，对于那些以多重引导方式启动的系统则位于相应的主分区/扩展分区的第一个扇区），是操作系统可直接访问的第一个扇区。它也包括一个引导程序和一个被称为BPB（BIOSParameterBlock）的本分区参数记录表。其实每个逻辑分区都有一个OBR，其参数视分区的大小、操作系统的类别而有所不同。引导程序的主要任务是判断本分区根目录前两个文件是否为操作系统的引导文件（例如MSDOS或者起源于MSDOS的Win9x/Me的IO.SYS和MSDOS.SYS）。如是，就把第一个文件读入内存，并把控制权交予该文件。BPB参数块记录着本分区的起始扇区、结束扇区、文件存储格式、硬盘介质描述符、根目录大小、FAT个数、分配单元的大小等重要参数。OBR由高级格式化程序产生（例如DOS的F）。文件分配表

FAT(Table)即文件分配表，是文件寻址系统。为了数据安全起见，FAT一般做两个，第二FAT为第一FAT的备份,FAT区紧接在OBR之后，其大小由本分区的大小及文件分配单元的大小决定。关于FAT的格式历来有很多选择，Microsoft的DOS及Windows采用我们所熟悉的FAT12、FAT16和FAT32格式，但除此以外并非没有其它格式的FAT，像WindowsNT、OS/2、UNIX/Linux、Novell等都有自己的文件管理方式。目录区

DIR是Directory即根目录区的简写，DIR紧接在第二FAT表之后,只有FAT还不能定位文件在磁盘中的位置，FAT还必须和DIR配合才能准确定位文件的位置。DIR记录着每个文件（目录）的起始单元（这是最重要的）、文件的属性等。定位文件位置时，操作系统根据DIR中的起始单元，结合FAT表就可以知道文件在磁盘的具体位置及大小了。在DIR区之后，才是真正意义上的数据存储区，即DATA区。数据区

DATA虽然占据了硬盘的绝大部分空间，但没有了前面的各部分，它对于我们来说，也只能是一些枯燥的二进制代码，没有任何意义。在这里有一点要说明的是，我们通常所说的格式化程序（指高级格式化，例如DOS下的Format程序），并没有把DATA区的数据清除，只是重写了FAT表而已，至于分区硬盘，也只是修改了MBR和OBR，绝大部分的DATA区的数据并没有被改变，这也是许多硬盘数据能够得以修复的原因。硬盘分区方式我们平时说到的分区概念，不外乎三种:1主分区2扩展分区3逻辑分区其中主分区可以是1-4个，扩展分区可以有0-1个，